Формирование научной школы А.А. Ильина началось в 1980-е годы с приходом на кафедру металловедения и технологии термической обработки металлов МАТИ нового заведующего, профессора Владимира Александровича Ливанова — выдающегося металлурга, лауреата Ленинской и трёх Государственных премий СССР. В.А. Ливанов и один из основателей научной школы МАТИ по металловедению и технологии титановых сплавов профессор Б.А. Колачев оказали наибольшее влияние на формирование А.А. Ильина как учёного и организатора науки.
В тот же период совместно с В.А. Ливановым и при поддержке ректора МАТИ Б.С. Митина, заместителя министра авиационной промышленности Г.Б. Строганова и начальника ВИАМ Р.Е. Шалина кандидат технических наук А.А. Ильин организовал на кафедре проблемную научно-исследовательскую лабораторию «Перспективные металлические материалы» и учебно-научный комплекс «МАТИ-ВИАМ», в состав которого вошла и отраслевая научно-исследовательская лаборатория Министерства авиационной промышленности «Новые авиационные материалы и технологии». В 1984 молодые учёные — М.Ю. Коллеров, В.М. Майстров, Ю.В. Михайлов во главе с А.А. Ильиным — были удостоены Премии Ленинского комсомола за работы в области металловедения и технологии титановых сплавов для аэрокосмической техники. В 1987 В.А. Ливанов передал заведование кафедрой 35-летнему А.А. Ильину.
В 1990-е годы, в связи с невостребованностью в отечественной промышленности инновационных научно-технических разработок прикладного характера, основные работы созданной А.А. Ильиным новой научной школы были посвящены фундаментальным исследованиям в области структурных аспектов создания перспективных материалов и технологий их получения и обработки. Это позволило создать научный задел для перехода в начале 2000-х годов к активной инновационной деятельности по созданию и внедрению комплексных технологий получения и обработки полуфабрикатов и изделий из новых материалов, для отечественных и зарубежных предприятий авиационной, автомобильной, медицинской промышленности и машиностроения.
А.А. Ильиным активно развиваются научно-исследовательские работы в области физико-химических основ процессов управления структурой и свойствами металлических материалов на основе титана и его интерметаллидов. Основными направлениями деятельности научной школы профессора А.А. Ильина являются:
Для продвижения научно-технологических разработок А.А. Ильиным создана и 12 лет эффективно работает группа «Ильком-БМСИ», объединяющая инженерно-медицинский центр «МАТИ-Медтех» и несколько инновационных малых предприятий университета, серийно выпускающих медицинские имплантаты и инструменты для ортопедии, травматологии, нейрохирургии, кардиохирургии, спинальной хирургии и онкологической ортопедии, которые успешно конкурируют на рынках России, стран СНГ, Европейского союза и стран Юго-Восточной Азии. Продвижение инновационных технологий обработки конструкционных титановых сплавов для авиакосмической техники и машиностроения осуществляется через совместные с отраслевыми институтами ГНЦ «ВИАМ», НИАТ, ВИЛС научно-производственные структуры и прямые контракты с ОКБ Сухого, корпорацией «Боинг» и др.
А.А. Ильин ведёт активную работу по инновационным методам подготовки специалистов для различных отраслей экономики и научно-педагогических кадров высшей квалификации. В течение 15 лет он руководит в МАТИ подготовкой бакалавров и магистров по направлению «Материаловедение и технология новых материалов» с базовыми специализирующими кафедрами в ИМЕТ РАН, ГНЦ «ВИАМ» и ЦИТО. В научной школе, возглавляемой А.А. Ильиным, подготовлено 63 кандидата и 10 докторов технических наук, в том числе лично им — 23 кандидата и 10 докторов наук.
А.А. Ильин является членом редколлегии журналов «Металлы» РАН, «Известия вузов. Цветная металлургия», «Технология легких сплавов», «Титан», членом экспертного совета ВАК России по металлургии и металловедению, членом совета Учебно-методического объединения вузов России по направлению «Материаловедение и технология новых материалов», председателем подкомитета «Материалы для имплантатов» Технического комитета по стандартизации ТК 453 «Имплантаты для хирургии», членом комиссии по присуждению премии РАН имени А.А. Бочвара, председателем диссертационного докторского совета Д212.110.04.
Автор 477 печатных работ, в том числе монографий, учебников и учебных пособий — 21, 49 патентов и авторских свидетельств.